第八章双极和复叠压缩

1、第八章 双级压缩和复叠式 压缩制冷循环 本章内容本章内容 4.1 4.1 双级压缩制冷循环双级压缩制冷循环 4.2 4.2 双级压缩制冷循环的热力计算双级压缩制冷循环的热力计算 及工况变化的影响及工况变化的影响 4.3 4.3 复叠式压缩制冷循环复叠式压缩制冷循环 2 3 S 过冷器 3 bb 0 4 2 3 1 4 q0 Tk T0 T c c qk 气 液 分 离 器 膨 胀 阀 Tk 3 4 2 压 缩 机 1 冷凝器 q0 T0 蒸发器 过冷度 概念概念 过冷过冷 subcooling 过冷度过冷度 degree of subcooling 过冷温度过冷温度 temperature o

2、f subcooling 3 a a 2 1 S 3 bb 0 4 2 3 1 4 q0 Tk T0 T c c 回 热 器 1 4 qk 膨 胀 阀 Tk 3 3 2 压 缩 机 1 冷凝器 q0 T0 蒸发器 c c 过 热 度 过热过热 superheat 过热度过热度 degree of superheat 过热温度过热温度 temperature of superheat 概念概念 过 冷 度 4 吸入过热蒸气对制冷量和制冷系数的影响取 决于蒸气过热时吸收的热量是否产生有用的制冷 效果以及过热度的大小 （1）过热没有产生有用的制冷效果 由蒸发器出来的低温制冷剂蒸气，在通过吸 入管道进

3、入压缩机之前，从周围环境中吸取热量 而过热，但它并没有对被冷却物质产生任何制冷 效应，这种过热称为“无效”过热。由于循环的 单位质量制冷量是相等的，但蒸气比容的增加使 单位容积制冷量减少，对给定压缩机而言它将导 致循环制冷量的降低。 5 （2）吸热本身产生有用的制冷效果 如果吸入蒸气的过热产生在蒸发器本 身的后部，或者产生在安装于被冷却室内 的 吸气管道上，或者产生在两者皆有的 情况下，那么，由于过热而吸收的热量来 自被冷却空间，因而产生了有用的制冷效 果，我们称这种过热为“有效”过热。 蒸气回热循环属于有效过热。 6 氨过热对制 冷系统是不 利的，它获 得的制冷量 增量比需要 增加的功少 有

4、效过热的过热度对制冷系统的影响有效过热的过热度对制冷系统的影响 q/w 乙烯 7 单级蒸气压缩活塞式制冷机，压比一般不单级蒸气压缩活塞式制冷机，压比一般不 超过超过1010 蒸发温度过低带来如下问题蒸发温度过低带来如下问题： 8 1 2 1 0.940.0851 m v p p (1)(1)压缩比增大时压缩机的容积系数压缩比增大时压缩机的容积系数 大为降低大为降低 ，压缩机的输气量及效率显著下降。由于压缩机，压缩机的输气量及效率显著下降。由于压缩机 余隙容积的存在，压力比提高到一定数值后，压余隙容积的存在，压力比提高到一定数值后，压 缩机的容积系数变为零，压缩机不再吸气，制冷缩机的容积系数变为

5、零，压缩机不再吸气，制冷 机虽然在不断运行，制冷量却变为零。机虽然在不断运行，制冷量却变为零。 为了获得比较低的温度（为了获得比较低的温度（40407070），同时），同时 又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围又能使压缩机的工作压力控制在一个合适的范围 内，就要采用多级压缩循环。内，就要采用多级压缩循环。 (2) (2)压缩机排气温度过高，使润滑油的压缩机排气温度过高，使润滑油的 粘度急剧下降，影响压缩机的润滑。当排粘度急剧下降，影响压缩机的润滑。当排 气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑气温度与润滑油的闪点接近时，会使润滑 油碳化和出现拉缸等现象。油碳化和出现拉缸等现象。 (3) (3

6、)制冷剂节流损失、过热损失增加，制冷剂节流损失、过热损失增加， 单位容积制冷量下降过大，经济性下降。单位容积制冷量下降过大，经济性下降。 9 氨：绝热指数较大，排气温度较高，氨单级压缩的 压力比一般不超过8； 氟里昂：绝热指数相对较小，单级压缩的压力比一 般也不希望超过10。 不同冷凝温度时单级压缩所能达到的最低蒸发温度 如下表所示。 10 两级压缩制冷循环中，制冷剂的压缩过两级压缩制冷循环中，制冷剂的压缩过 程分两个阶段进行，即将来自蒸发器的程分两个阶段进行，即将来自蒸发器的 低压制冷剂蒸气（压力为低压制冷剂蒸气（压力为Po ）先进入低先进入低 压压缩机，在其中压缩到中间压力压压缩机，在其中

7、压缩到中间压力Pm ， 经过中间冷却后再进入高压压缩机，将经过中间冷却后再进入高压压缩机，将 其压缩到冷凝压力其压缩到冷凝压力Pk ，排入冷凝器中。，排入冷凝器中。 这样，各级压力比适中，同时经过中间这样，各级压力比适中，同时经过中间 冷却，又可使压缩机的耗功减少，可靠冷却，又可使压缩机的耗功减少，可靠 性、经济性均有所提高。性、经济性均有所提高。 4.1 4.1 双级压缩制冷循环双级压缩制冷循环 11 按中间冷却方式：中间完全冷却循环与中间不完全按中间冷却方式：中间完全冷却循环与中间不完全 冷却循环；冷却循环； 按节流方式：一级节流循环与两级节流循环。按节流方式：一级节流循环与两级节流循环。

8、 中间完全冷却：是指将低压级的排气冷却到中间压 力下的饱和蒸气。 中间不完全冷却：低压级排气虽经冷却，但并未冷 到饱和蒸气状态。 两级节流循环：将高压液体先从冷凝压力Pk 节流到 中间压力Pm ，然后再由Pm节流降压至蒸发压力P0 。 一级节流循环：制冷剂液体由冷凝压力Pk直接节流 至蒸发压力P0 。 一级节流循环经济性较两级节流稍差，但利用节流一级节流循环经济性较两级节流稍差，但利用节流 前本身的压力可实现远距离供液或高层供液前本身的压力可实现远距离供液或高层供液 12 采用哪一种型式有利则与制冷剂种类、制采用哪一种型式有利则与制冷剂种类、制 冷剂容量及其它条件有关。常用的组成型式有：冷剂容

9、量及其它条件有关。常用的组成型式有： 1.1.一级节流、中间完全冷却的两一级节流、中间完全冷却的两 级压缩制冷循环级压缩制冷循环 2.2.一级节流、中间不完全冷却的一级节流、中间不完全冷却的 两级压缩制冷循环两级压缩制冷循环 3.3.两级节流、中间完全冷却的两两级节流、中间完全冷却的两 级压缩制冷循环级压缩制冷循环 4.4.两级节流、中间不完全冷却的两两级节流、中间不完全冷却的两 级压缩制冷循环级压缩制冷循环 13 14 15 16 两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环两级节流、中间完全冷却的两级压缩制冷循环 ( a ) 流程图流程图 ( b ) lgp-h图图 17 两级节流、中间不完全

10、冷却的两级压缩制冷循环两级节流、中间不完全冷却的两级压缩制冷循环 ( ( a ) a ) 流程图流程图 ( ( b ) lgp-hb ) lgp-h图图 18 中间压力的确定中间压力的确定 循环的冷凝温度和蒸发温度：循环的冷凝温度和蒸发温度： 根据环境介质的温度和被冷却物体要求根据环境介质的温度和被冷却物体要求 的温度，考虑一定的传热温差确定。的温度，考虑一定的传热温差确定。 中间温度（或中间压力）：中间温度（或中间压力）： 两级压缩循环的特有问题，中间压力选两级压缩循环的特有问题，中间压力选 择是否恰当，影响到经济性及压缩机的择是否恰当，影响到经济性及压缩机的 安全运行。安全运行。 4.2

11、双级压缩制冷循环的热力计算双级压缩制冷循环的热力计算 及工况变化的影响及工况变化的影响 19 中间压力的确定原则：中间压力的确定原则： 制冷系数最大原则去选取制冷系数最大原则去选取 最佳中间压力。最佳中间压力。 几个推荐应用的公式：几个推荐应用的公式： (1) (1)按压力的比例中项确定中间压力按压力的比例中项确定中间压力: : kom ppp P Pm m - -中间压力中间压力 P Po o - -蒸发压力蒸发压力 P Pk k - -冷凝压力冷凝压力 单位均为单位均为MPaMPa 按此式求出的中间压力和制按此式求出的中间压力和制 冷循环的最佳中间压力有一冷循环的最佳中间压力有一 定的偏差

12、。但公式很简单，定的偏差。但公式很简单， 可用于初步估算。可用于初步估算。 20 具体步骤为： 1）确定冷凝压力 PK 和蒸发压力 P0 ，按 求得一个近似值，查表得到 对应的中间温度tm ； 2）在该 tm 值的上下按一定间隔选取若干个 中间温度； 3）对每一个 tm 值进行循环的热力计算，求 得该循环下的制冷系数e ； 4）绘制eF(tm) 曲线，找到e的最大值， 由该点对应的中间温度即为循环的最佳中间 温度（即最佳中间压力）。 kom ppp 21 22 最佳中间温度的确定最佳中间温度的确定 (2)(2)按温度的比例中项确定中间压力按温度的比例中项确定中间压力 kom TTT T Tm

13、m - -中间温度中间温度 T To o - -蒸发温度蒸发温度 T Tk k - -冷凝温度冷凝温度 单位均为单位均为K K 23 (3)(3)用经验公式直接计算最佳中间压力用经验公式直接计算最佳中间压力 tm=0.4tk+ 0.6to+3 t tm m 中间温度 中间温度 t tk k 冷凝温度 冷凝温度 t to o 蒸发温度，单位均为 蒸发温度，单位均为。 上式不只适用于氨，在上式不只适用于氨，在40404040温度范围内温度范围内 ，对于，对于R12R12也能得到满意的结果。也能得到满意的结果。 对于两级氨制冷循环，拉赛对于两级氨制冷循环，拉赛( (A.Rasi)A.Rasi)提提

14、出了较为简单的最佳中间温度计算式：出了较为简单的最佳中间温度计算式： 24 1 1、循环的热力计算、循环的热力计算 在二级压缩制冷循环在二级压缩制冷循环 中，制取冷量的都是低中，制取冷量的都是低 压部分的蒸发过程，其压部分的蒸发过程，其 单位制冷量：单位制冷量： q0=h1-h5 = h1-h4 低压压缩机的单位理低压压缩机的单位理 论功论功 w0=h2-h1 当制冷机的冷负荷为当制冷机的冷负荷为 Q0时，低压级制冷剂循时，低压级制冷剂循 环量：环量： 14 oo md o QQ q qhh 25 从而可算出低压压缩机消耗的理论功率从而可算出低压压缩机消耗的理论功率 21 14 dmdodo

15、hh Pq wQ hh 对于中间完全冷却的两级循环对于中间完全冷却的两级循环 26 24 39 mgmd hh qq hh 9234mgmdmgmd q hq hq hq h 高压压缩机的单位理论功为高压压缩机的单位理论功为 24 73 1439 () o gmgog Qhh Pq whh hh hh 根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循根据制冷系数的定义，两级压缩制冷循 环的理论制冷系数为环的理论制冷系数为: : 27 9234mgmdmgmd q hq hq hq h 由此可得高压压缩机的理论功率由此可得高压压缩机的理论功率 14 24 2173 39 = o mgogmdod Qhh hh

16、 qwqw hhhh hh 对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间冷却器的热对于中间不完全冷却的两级循环，根据中间冷却器的热 平衡关系平衡关系, ,可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量可得到流经高压级压缩机的制冷剂流量： 高压压缩机的单位理论功为高压压缩机的单位理论功为 No Image 28 934mgmgmdmd q hqqhq h 34 39 mgmd hh qq hh 76og whh No Image 高压压缩机消耗的理论功率高压压缩机消耗的理论功率： 34 gmgog76 1439 () o Qhh Pq whh hh hh 中间不完全冷却的两级循环的理论制冷系数为中间不完全冷却的两

17、级循环的理论制冷系数为: : )()( 67 93 43 12 41 hh hh hh hh hh 29 mg6mgmd3md2 q h =(qq) hq h 323 24 323 34 mgmd 6 mg (q h ) qhhhh h =hhh qhh 进入高压压缩机制冷剂蒸气焓值进入高压压缩机制冷剂蒸气焓值 双级制冷循环热力计算例题双级制冷循环热力计算例题 例8-1 某肉类加工冷库的工作条件如下：制冷量为150kW，冷 凝温度为40，蒸发温度为-40。制冷剂采用氨，按照一级节 流、中间完全冷却制冷循环工作。试进行制冷循环热力计算， 并为制冷机组选配合适的压缩机。 解解: 按给定的工况条件绘

18、制制冷循环的压焓图，按给定的工况条件绘制制冷循环的压焓图， 由已知条件并查制冷剂为氨的压焓图由已知条件并查制冷剂为氨的压焓图 Q0150kW；t0-40； p00.717bar；tk40； pk15.55bar，采用一级节流、，采用一级节流、 中间完全冷却双级循环。中间完全冷却双级循环。 h11407.25kJ/kg； 吸气温度按吸气温度按 510过热度来选取。过热度来选取。 tx=-35 h1=1418.06kJ/kg ,v1=1.58m3/kg h5=386.43kJ/kg 1中间压力的确定中间压力的确定 1)按制冷系数最大的原则来确定中间温度和按制冷系数最大的原则来确定中间温度和 中间压

19、力。该理论循环的制冷系数可表达为中间压力。该理论循环的制冷系数可表达为 )()( 34 53 72 12 71 0 hh hh hh hh hh 假定中间压力，假定中间压力， 通过查热力性质表，对应的通过查热力性质表，对应的 中间温度中间温度tm-65，因此在，因此在-65上下取若干个数值进行计算，取中间冷上下取若干个数值进行计算，取中间冷 却器中冷却盘管氨液出口初端部温差为却器中冷却盘管氨液出口初端部温差为3，则，则t7tm+3。计算结果见下表：。计算结果见下表： MPappp km 34. 3717. 055.15 0 tmPm (Bar) h3h7h2h4 -23982145851204

20、571656681654202329 -43688145629195431644291665152325 -63412145401186321631561676092340 -83152145168177211618.991686132327 从表中可以看出，按照最大制冷系数原则，最佳温度在从表中可以看出，按照最大制冷系数原则，最佳温度在46之之 间，取最佳中间温度间，取最佳中间温度tm-5，相应中间压力，相应中间压力pm3.548bar。那么，相应各。那么，相应各 状态点的参数为状态点的参数为 h31455.16kJ/kg， v30.346m3/kg，h7190.87kJ/kg h21643

21、.25kJ/kg， h41671.53kJ/kg 高压级的压缩比为高压级的压缩比为 38. 4 548. 3 55.15 m k p p 低压级的压缩比为低压级的压缩比为 95. 4 717. 0 548. 3 0 p pm 2)由经验公式计算由经验公式计算中间温度，确定中间压力。取中间冷却器中冷却盘管氨中间温度，确定中间压力。取中间冷却器中冷却盘管氨 液出口初端部温差为液出口初端部温差为3，则，则t7tm+3。由拉。由拉塞经验公式计算出中间温度塞经验公式计算出中间温度 tm0.4tk+0.6t0+3(04400640+3)-5；相应的中间压力；相应的中间压力pm 3.548bar，相应各状态

22、点的参数为，相应各状态点的参数为 h31455.16kJ/kg，v30.346m3/kg，h7190.87kJ/kg h21643.25kJ/kg，h41671.53kJ/kg 2制冷循环热力计算制冷循环热力计算 1)单位制冷量单位制冷量 qoh1h7(1407.25190.87)kJ/kg1216.38kJ/kg 2)对于低压级压缩机，制冷剂质量流量对于低压级压缩机，制冷剂质量流量 skg q Q qmd/1233. 0 38.1216 150 0 0 理论输气量理论输气量 sm vq q d md Vthd /282. 0 69. 0 58. 11233. 0 31 理论功率理论功率 kW

23、hhqP mdd 77.27)06.141825.1643(1233. 0)( 120 轴功率轴功率(取压缩机总效率取压缩机总效率kd067) kW P P kd d ed 44.41 67. 0 77.27 0 kd= i m 实际排气比焓实际排气比焓(取压缩机指示效率取压缩机指示效率id083) kgkJ hh hh id s /4 .1702 83. 0 25.140725.1643 06.1418 12 12 3)对于高压级压缩机，制冷剂质量流量对于高压级压缩机，制冷剂质量流量 skg hh hh qq s mdmg /174. 0 43.38616.1455 87.1904 .170

24、2 1233. 0 53 72 理论输气量理论输气量 sm vq q g mg Vthg /0825. 0 73. 0 346. 0174. 0 3 3 理论功率理论功率 043 () 0.174(1671.531455.16)37.65 gmg Pqhh kW 轴功率轴功率(取压缩机总效率取压缩机总效率kg0.7) kW p P kg g eg 78.53 7 . 0 65.37 0 实际排气比焓实际排气比焓(取压缩机指示效率取压缩机指示效率ig083) 4)理论制冷系数理论制冷系数 5)理论输气量比理论输气量比 6)冷凝器热负荷冷凝器热负荷 3选配压缩机选配压缩机 l例8.2 一次节流中间

25、不完全冷却的两级压缩制冷 循环(制冷剂为R22)，其运行工况为 ， 中间换热器中的传热温差 ，低压 级压缩机的吸气过热度 （设会热热交换 器）。当制冷量为 时，试进行该循环的 热力计算。 37 38 解循环过程和各状态点如图所示根据已知条件，热解循环过程和各状态点如图所示根据已知条件，热 力计算如下力计算如下 (1)冷凝压力 蒸发压力 中间压力 (2)(2)根据已知条件和计算所得的工况参数，在图上画根据已知条件和计算所得的工况参数，在图上画 出循环曲线査得有关状态参数出循环曲线査得有关状态参数 ( (中间压力的饱和温度）中间压力的饱和温度） 39 40 理论制冷系数为理论制冷系数为 通过状态点

26、9查得，进人蒸发器 的制冷剂蒸 ,干度足为X9=11 。 (4)若采用单级压缩机制冷循环 如图9.5所示，在lgp-h图上査得 压缩机的理论排气温度t2=120， 进人蒸发器的制冷剂蒸气干度 足X4=0.41，理论制冷系数为 41 2 2、工况变化的影响、工况变化的影响 从图可看出双级压缩制 冷循环在工况变化时的 特性 （1）当蒸发温度升高时，蒸 发压力和中间压力随着 升高，中间压力升高的 速率相对较快； （2）蒸发温度的升高有一边 界值t0b，此时pm=pk，高 压压缩机起压缩作用， 此图t0b4； 定值时双级压缩制冷循环 的压力与蒸发温度的变化关系 1.1.变工况特性变工况特性 42 2

27、2、工况变化的影响、工况变化的影响 定值时双级压缩制冷循环 的压力与蒸发温度的变化关系 1.1.变工况特性变工况特性 （4）高压压缩机的最大功率出现在t0=-27，压缩比pk/pm3。 低压压缩机的最大功率出现在t0=t0b，此时，它承受的压差最 大而压缩比接近3。 在冷凝压力为定值时，对于不同的值在tm-to坐标上画 出一系列的关系曲线，这种关系曲线图称为运行图解，运行 图解对于设计和运转工作有一定的指导作用。 （3）当蒸发温度升高时，压差 （pk-pm）逐渐减小，而（ pm-po）先逐渐增大，后逐 渐减小，有一最大值。当 t0=t0b，（pk-pm）0，（ pm-po）达到最大值； 43

28、2.2.与变工况特性相关的问题与变工况特性相关的问题 （1）启动：当制冷机长时间停止运转后第一次启动时 ，蒸发温度是从环境温度逐渐降低的。当蒸发温度 未达到边界数值t0b以前，高压压缩机不起压缩作 用，此时如果高、低压压缩机同时启动势必造成能 源浪费。通常先启动高压压缩机，待蒸发温度降低 到某一数值时（决定于低压压缩机配用的电动机功 率），再启动低压压缩机。 l对于带有能量调节的单机双级压缩制冷机，在启动 初始阶段，可按高蒸发温度选用大的值运转；随 着蒸发温度的降低，再调整减小到正常运行值。这 样可以避免压缩机电机过载，又能使启动过程节能 44 2.2.与变工况特性相关的问题与变工况特性相关的

29、问题 （2）电动机选配：高压压缩机可以按照最大 功率工况规定的最高冷凝温度及pk/pm3 时的工况选配电动机的功率；也可按最常 用运转工况选配电动机，在启动过程中需 采用部分卸载或进气节流等措施。由于启 动时先启动高压压缩机，低压压缩机的功 率应按照运行的温度范围内的功率最大时 的情况去确定，即低压压缩机开始启动时 的情况，此时它承受的压力差最大，吸入 的蒸气比容最小。 45 4.3 4.3 复叠式压缩制冷循环复叠式压缩制冷循环 由两个（或数个）采用不同制冷剂的单级由两个（或数个）采用不同制冷剂的单级 （也可以是多级）制冷系统组合而成。（也可以是多级）制冷系统组合而成。 原因：原因：受到制冷剂

30、本身物理性质的限制 1.蒸发温度受制冷剂凝固点的限制蒸发温度受制冷剂凝固点的限制: T0必须高 于制冷剂的凝固点； 2.蒸发压力过低，容易渗入空气；蒸发压力过低，容易渗入空气； 3.蒸发压力过低，单位容积制冷量下降蒸发压力过低，单位容积制冷量下降: 低压 时，气态制冷剂的比容很大，单位容积制冷 能力很小，要求压缩机的体积流量很大。 定义定义 46 47 最低蒸最低蒸 发温度发温度 制冷剂制冷剂制冷循环型式制冷循环型式 -80R22-R13/23R22单级或两级压缩单级或两级压缩R13单级压缩组合的复叠式单级压缩组合的复叠式 循环循环 R507-R13/23R507单级或两级压缩单级或两级压缩R

31、13单级压缩组合的复叠单级压缩组合的复叠 式循环式循环 R290-R13/23R290两级压缩两级压缩R13单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环 -100R22-R13/23R22两级压缩两级压缩R13单级或两级压缩组合的复叠式单级或两级压缩组合的复叠式 循环循环 R507-R13/23R507两级压缩两级压缩R13单级或两级压缩组合的复叠单级或两级压缩组合的复叠 式循环式循环 R22-R14R22两级压缩两级压缩R14单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环 R507-R14R507两级压缩两级压缩R14单级压缩组合的复叠式循环单级压缩组合的复叠式循环 -120R22-R14R22两级压缩两级压缩R14两级压缩组合的复叠式循环两级压缩